In vitro effects of bioactive extracts of local Italian cultivars: from molecular mechanisms to potential nutraceutical applications for consumers’ well-being
Abstract
Phytochemicals are non-nutritional compounds, naturally present in food and beverages, which exert
beneficial effects on human health. The present Doctorate Thesis evaluates the biological properties
of bioactive extracts prepared from Italian cultivars/products on different in vitro models to test their
ability to ameliorate conditions of cellular oxidative stress, often associated with the occurrence of
degenerative pathologies, such as cancer and neurodegenerative processes. The two classes of
biomolecules investigated, polyphenols and carotenoids, are largely present in the three different
foods and beverage investigated, e.g. red wine, elderberries and pumpkin. The results obtained
suggest the existence of novel mechanisms triggered by red wine polyphenols and resulting in the
protection of erythrocytes from plasma oxidizing species. These compounds are able to increase
antioxidant defences in erythrocytes by activating Plasma Membrane Redox System. Moreover, we
hypothesized that red wine polyphenols (73 µg/ml gallic acid equivalents) trigger a slight, but
significant increase of intracellular reactive oxygen species, which induces a cellular adaptive
response, which, in turn, increases antioxidant defences in erythrocytes. This aspect highlights the
preventive role of polyphenols, which, through this mechanism of cellular adaptation against
oxidative stress, can prevent the onset of degenerative and age-depending diseases related to oxidative
damage, including neurodegeneration. In fact, the present work also describes an in vitro
neurodegenerative model aimed to investigate the protective role of a polyphenolic extract from
Sambucus nigra berries against oxidative damage induced by neurotoxic agents. We demonstrated
that the efficacy of S. nigra polyphenolic extract (500 µg/ml, w/v) to effectively protect neuronal cells
from apoptosis is probably related to its ability to modulate the cellular antioxidant response. The
data obtained provide an initial indication for future clinical trials addressed to prove the preventive
role of these natural extracts against degenerative conditions. Finally, a different class of antioxidant
compounds, carotenoids from Cucurbita moschata, showed a functional effects on the proliferation
of malignant cell lines. The mechanism of action of a carotenoid-enriched extract (200-400 µg/ml)
has been investigated on two malignant cell lines, Caco-2 and SAOs, derived from a colon
adenocarcinoma and an osteosarcoma, respectively. The results obtained indicated that pumpkin
carotenoids do not directly kill cancer cells, but slow down their proliferation. This effect was
associated with an alteration of the energetic metabolism which resulted in a decreases intracellular
concentration of ATP and the activation of autophagy. Probably, the “not-protective” autophagy
detected directly or indirectly induces cellular differentiation in malignant cells, a possibility that
deserves further investigations. [edited by author] I fitochimici sono composti non-nutrizionali, naturalmente presenti in alimenti e bevande, che
esercitano effetti benefici sulla salute umana. La presente Tesi di Dottorato valuta le proprietà
biologiche di estratti bioattivi preparati da cultivar/prodotti italiani su diversi modelli in vitro in
relazione alla loro capacità di migliorare le condizioni di stress ossidativo, spesso associato con la
comparsa di patologie degenerative, come il cancro e processi neurodegenerativi.
Le due classi di biomolecole indagate, polifenoli e carotenoidi, sono largamente presenti nei tre
diversi alimenti studiati, tra cui vino rosso, bacche di sambuco e zucca. I risultati ottenuti
suggeriscono l'esistenza di nuovi meccanismi innescati dai polifenoli del vino rosso e risultanti nella
conseguente protezione degli eritrociti da specie ossidanti del plasma. Questi composti sono in grado
di aumentare le difese antiossidanti degli eritrociti attivando il sistema Membrane Plasma Redox.
Inoltre, abbiamo ipotizzato che i polifenoli del vino rosso (73 µg/ml di acido gallico equivalenti)
innescano un lieve, ma significativo aumento di specie reattive dell'ossigeno intracellulare, che induce
una risposta adattativa cellulare, che, a sua volta, aumenta le difese antiossidanti negli eritrociti.
Questo aspetto evidenzia il ruolo preventivo dei polifenoli, che, attraverso questo meccanismo di
adattamento cellulare contro lo stress ossidativo, può prevenire l'insorgenza di malattie degenerative
dipendenti dall'età relative al danno ossidativo, compresa la neurodegenerazione. Infatti, il presente
lavoro si è focalizzato anche su un modello neurodegenerativo in vitro al fine di studiare il ruolo
protettivo di un estratto polifenolico di bacche di Sambucus nigra contro il danno ossidativo indotto
da agenti neurotossici. E’ stato dimostrato che l'efficacia dell’estratto polifenolico di S. nigra (500
µg/ml, w/v) nel proteggere efficacemente le cellule neuronali da apoptosi è probabilmente legata alla
sua capacità di modulare la risposta antiossidante. I dati ottenuti forniscono una prima indicazione
per futuri studi clinici rivolti a dimostrare il ruolo preventivo di questi estratti naturali contro le
condizioni degenerative. Infine, una diversa classe di composti antiossidanti, i carotenoidi presenti in
Cucurbita moschata, hanno mostrato un effetto funzionale sulla proliferazione di linee cellulari
maligne. Il meccanismo di azione di un estratto arricchito in carotenoidi (200-400 µg/ml) è stato
studiato su due linee di cellule maligne, Caco-2 e SAOs, derivate rispettivamente da un
adenocarcinoma del colon e un osteosarcoma. I risultati ottenuti hanno indicato che i carotenoidi della
zucca non inducono la morte delle cellule tumorali, ma rallentano la loro proliferazione. Questo
effetto è stato associato ad un'alterazione del metabolismo energetico cellulare che porta a un
decremento della concentrazione intracellulare di ATP e all'attivazione dell'autofagia. Probabilmente,
l'autofagia di tipo “non-protettivo” che si attiva dopo trattamento con i carotenoidi, induce
differenziamento cellulare nelle cellule maligne, una possibilità che merita ulteriori indagini. [a cura dell'autore]